高頻高速印制板鉆孔技術(shù)提升研究

張倫強 劉 飛 歐亞周（深圳市柳鑫實業(yè)有限公司，廣東 深圳 518106）王成勇 廖冰淼 李 珊（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006 ）

高頻高速印制板鉆孔技術(shù)提升研究

Paper Code: S-139

張倫強 劉 飛 歐亞周
（深圳市柳鑫實業(yè)有限公司，廣東 深圳 518106）
王成勇 廖冰淼 李 珊
（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006 ）

文章主要討論了不同基材的高頻高速印制電路板的鉆孔特性差異。在此基礎(chǔ)上探索與高頻高速印制電路板材料性能鉆孔特性的蓋墊板匹配性，以及蓋墊板搭配使用對高頻高速印制電路板鉆孔加工技術(shù)和孔內(nèi)殘膠（即引起ICD）的優(yōu)化改善方案。

蓋墊板；鉆孔；高頻高速PCB；基板材料；九壁與孔環(huán)互連缺陷

1 前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的不斷進步，電子信息、信號朝著容量大、多樣化、快速化發(fā)展。每波長的信號量由原來的10 Gbps發(fā)展到40 Gbps，甚至由于發(fā)展到多重化，可達(dá)到數(shù)Tbps信號容量。移動電話的傳送速度已由3G向5G過渡；今后MPU時鐘頻率會更加高，從而使得目前的通信基地設(shè)施、大型計算器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、移動通訊等用PCB，在信號高速化要求上表現(xiàn)更為強烈。隨著信息技術(shù)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的迅速發(fā)展，超大容量的信息傳輸，超快速度和超高密度的信息處理已成為信息技術(shù)追求的目標(biāo)。近幾年隨著智能化和云計算、云終端等發(fā)展，通訊電子產(chǎn)品、可攜帶電子裝置、通訊設(shè)備等推動，應(yīng)用這些領(lǐng)域的高頻高速印制電路板需求在不斷增長，并將成為印制電路板主流之一。

高頻高速印制電路板的主要基材是高頻高速覆銅板，高頻高速覆銅板是開發(fā)的一類具有低介電常數(shù)（Dk）和低介電損耗（Df）的功能性覆銅板材料，其介電常數(shù)（Dk）越低，信號在介質(zhì)中傳送速度越快、能力越強；其介電損耗（Df）越低，則信號在介質(zhì)中傳送的完整性越好。高頻高速覆銅板制造的通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用基板，多為高多層板（層數(shù)多在14～40層），基板多為大面積（400 mm×400 mm ～ 800 mm×800 mm居多），大厚徑比的孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。這類基板不僅要求基板材料具有低Df、低Dk的特性，還要求基板材料有更高的耐熱性、良好的加工性，以確保它的通孔高可靠性。這類通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用基板對無鉛焊接條件非?？量蹋ǔＲ圆捎酶男跃郾矫褬渲≒PE），或環(huán)氧樹脂改性氰酸酯樹脂為主流。

高頻高速覆銅板通常會選擇一些低介電常數(shù)（Dk）和介電損耗（Df）的樹脂如PPO、PTFE、氰酸酯等，這些樹脂具有結(jié)構(gòu)規(guī)整和對稱、極性低、游離的極性電子少等優(yōu)點，但其活性低，樹脂反應(yīng)和除膠難度很大。受高頻覆銅板具這些特性影響，使其具有硬度高、磨損大、鉆屑去除難、粘結(jié)強度低、固化條件高等弱點，給高頻電路板制造工序帶來很大困擾，尤其是在鉆孔、除膠、電鍍工序中。高頻高速印制電路板機械鉆孔加工常見問題有：鉆針磨損大、孔位精確度低、鉆孔孔數(shù)少和鉆孔進刀速小、鉆孔效率低和壽命短、鉆屑去除難等。

高頻高速印制電路板的基板特性及加工性能與常規(guī)的FR4印制電路板存在較大差異，研究高頻高速印制電路板的鉆孔加工機理和性能及其影響因素，解決高頻高速印制電路板一些常見鉆孔加工問題，優(yōu)化和提升其鉆孔加工性能，是十分必要的，本文重點著手這一方面的研究。

2 實驗準(zhǔn)備

本研究實驗選擇了兩款知名的、應(yīng)用范圍較廣的高頻高速覆銅板材料與一款常規(guī)FR4高Tg覆銅板材料，制作26層厚度為3.0 mm的高多層板進行研究，其材料特性見表1 高頻高速覆銅板材料特性，圖1為高多層結(jié)構(gòu)。

表1 高頻高速覆銅板材料特性

試驗所需物料及設(shè)備見表2所示。

3 鉆孔加工實驗條件及主要評估裝置

3.1 鉆孔加工的工藝參數(shù)設(shè)定

鉆孔參數(shù)：Φ0.25 mm∶S155 krpm，F(xiàn)2.8 m/min，R15 m/min；

Φ0.45 mm∶S100 krpm，F(xiàn)2.5 m/min，R15 m/min；

鉆深設(shè)定：鉆孔加工深度：0.6 mm；孔壁間距1.0 mm。

鉆孔加工孔的數(shù)量：1500 hits。

重復(fù)針數(shù)：5支。

表2 研究的蓋墊板及檢測設(shè)備

圖1 PCB板結(jié)構(gòu)

3.2 主要評估裝置

本實驗評估裝置主要包括高速攝影系統(tǒng)、鉆削測力系統(tǒng)、紅外測溫系統(tǒng)等。

4 實驗結(jié)果與分析

本文以Φ0.25 mm孔徑作為重點報道。

4.1 不同基材的高頻高速印制電路板鉆孔特性研究

在無蓋板、墊板一致的情況下，我們對比研究高頻高速印制電路板與FR4高Tg印制電路板在鉆孔特性上的差異。所得了它們的以下五方面的差異。

4.1.1 入鉆、切削、排屑過程中的差異

通過高速攝影系統(tǒng)拍攝鉆孔加工的入鉆、切削、排屑過程，觀察發(fā)現(xiàn)高頻高速印制電路板的鉆孔加工過程中入鉆呈大團聚體、間歇性的擠出排屑；FR4高Tg印制電路板的入鉆呈松散小顆粒、連續(xù)性的排屑。Φ0.25 mm孔徑退刀含帶大量鉆屑間歇性排出，Φ0.45 mm孔徑退刀含帶鉆屑量少。表3為Φ0.25 mm孔徑高速攝影動態(tài)圖像中截剪部分代表圖片，表4為Φ0.45 mm孔徑高速攝影動態(tài)圖像中截剪部分代表圖片。

表3 Φ0.25mm孔徑入鉆、切削、排屑過程的高速攝影

表4 Φ0.45mm孔徑入鉆、切削、排屑過程的高速攝影

4.1.2 切屑形態(tài)的差異

從表5中的切屑形態(tài)SEM圖片可以看到，兩款高頻高速印制電路板的切屑呈黏附性的大團聚體狀，Test1的黏附性比Test2嚴(yán)重，且Test2中含有球形狀的填充材料，而FR4高Tg印制電路板的切屑呈松散的小顆粒狀。根據(jù)三款印制電路板的切屑粘附程度，可以大致推斷Test1的剛性和軟化點最小，較大的為Test2，最大的為Test3。

表5 切屑形態(tài)SEM圖

4.1.3 鉆削軸向力的差異

三款不同材料的印制電路板的鉆削軸向力存在差異，初期入鉆上表面銅箔的鉆削軸向力相差不大，隨之不同介質(zhì)層切削或介質(zhì)層包覆銅切削的鉆削軸向力存在差異，同時隨著入鉆深度加深，排屑形成反作用力，使得鉆削軸向力呈一定的逐步減小趨勢，見表6所示。通過鉆削軸向力對比，進一步驗證了高頻高速印制電路板的基材剛性低于FR4高Tg印制電路板的基材。

表6 鉆削軸向力對比圖

4.1.4 鉆削溫度的差異

對三款印制電路板鉆孔加工1500孔的過程進行紅外測溫，發(fā)現(xiàn)三款印制電路板的鉆削溫度相差不大，其中Test2的鉆削溫度略低3 ℃左右，其它兩款接近，分析可能是Test2基材中添加了球形填充材料所致，據(jù)了解，球形填充材料一定程度上具有降低磨損和潤滑功效，從而可間接減少因磨損而產(chǎn)生的熱量，使得其鉆削溫度有所下降，見表5SEM切屑形態(tài)圖和表7鉆削溫度對比圖所示。

表7 鉆削溫度對比圖

4.1.5 孔內(nèi)殘屑的差異

鉆孔加工后進行無灌膠切片制作，然后采用SEM對孔內(nèi)壁進行觀察，發(fā)現(xiàn)三款印制電路板鉆孔加工后的孔內(nèi)壁殘屑存在一定的差異，Test1孔內(nèi)壁含有大量的殘屑，且殘屑黏附孔壁嚴(yán)重；Test2孔內(nèi)壁少量殘屑黏附孔壁；Test3孔內(nèi)壁也有較多的殘屑，但殘屑較為松散的附著于孔內(nèi)壁上。兩款高頻高速印制電路板由于切屑具有一定的黏附性，使得入鉆、排屑時，易形成大團聚體，造成鉆孔排屑不暢，切屑易被擠壓黏附在孔內(nèi)壁上，這些黏附型的殘屑不利于后工序超聲波處理，會增加Desmear除膠難度，使得PTH電鍍后易出現(xiàn)孔內(nèi)殘膠異常；FR4高Tg印制電路板的切屑呈松散、小顆粒狀，易于排屑，但切屑量大，排屑時切屑易散落在孔內(nèi)壁上，這些松散型的殘屑易被后工序超聲波處理，PTH電鍍后不易產(chǎn)生孔內(nèi)殘膠異常，見表8孔內(nèi)殘屑SEM圖和表9 電鍍后孔內(nèi)殘膠所示。

表8 孔內(nèi)殘屑SEM圖

表9 電鍍后孔內(nèi)殘膠

4.2 不同基材的高頻高速印制電路板鉆孔特性差異對鉆孔質(zhì)量的影響研究

從表10 鉆孔性能對比圖中可以看到，以上所述的不同材料的印制電路板的幾方面鉆孔特性差異的存在，所造成了它們在鉆孔質(zhì)量評價上的不同。其中以Test2的鉆孔質(zhì)量的均衡性較佳，每項都優(yōu)于其它兩款基材；Test1 和Test3的鉆孔質(zhì)量相當(dāng)。

表10 鉆孔性能對比圖

由以上實驗所得的結(jié)果可知：

通過我們大量的對高頻高速印制電路板用基材的鉆孔試驗工作，以及開展對國內(nèi)外這類覆銅板技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況調(diào)查和了解，我們認(rèn)識到：高頻高速印制電路板的基材普遍偏軟且軟化點低，鉆孔高溫易使切屑黏附成大團聚體，造成入鉆排屑不暢而形成間歇性的擠出排屑，切屑易被擠壓黏附在孔內(nèi)壁上，不利于后工序的超聲波和Desmear除膠處理，使得PTH電鍍后易產(chǎn)生孔內(nèi)殘膠異常。同時由于高頻高速印制電路的基材具有低Dk、低Df的特性，其極性小，材料活性低，難以被Desmear除膠掉， 從而加大了鉆孔加工后孔內(nèi)殘屑對PTH電鍍后孔內(nèi)殘膠的影響。高頻高速印制電路板的基材中適當(dāng)添加一些球形填充材料，有利于減少鉆針磨損，降低鉆削溫度，一定程度上可能還有利于減弱切屑的黏附程度，利于鉆孔排屑，提高整體鉆孔性能。

FR4高Tg印制電路板的基材剛性較大、軟化點高、活性強，切屑呈松散、小顆粒狀，入鉆、排屑過程呈大量松散、連續(xù)性排屑，切屑大量散落于孔內(nèi)壁上，后工序的超聲波和Desmear易除膠處理，PTH電鍍后不易產(chǎn)生孔內(nèi)殘膠異常。

4.3 蓋/墊板對高頻高速印制電路板鉆孔加工的影響

通過不同的蓋/墊板搭配，研究蓋/墊板對高頻高速印制電路板的鉆孔機理和鉆孔性能的影響。此節(jié)以其中一款高頻高速印制電路板基材（Test1）對不同的蓋/墊板適應(yīng)性，作以重點的闡述。

4.3.1 入鉆、切削、排屑過程

由于高速攝影時不能使用壓力腳，蓋板與印制電路板貼合易產(chǎn)生間隙，高速攝影效果欠佳。

4.3.2 鉆削軸向力

從表11鉆削軸向力對比圖中可以看到，不同蓋板的入鉆鉆削軸向力存在差異，增加蓋板可以一定程度上延緩鉆削軸向力，尤其是覆膜型蓋板，有利于降低斷針率。

表11 鉆削軸向力對比圖

4.3.3 鉆削溫度

從表12鉆削溫度對比圖中可以看到，增加金屬蓋板對降低鉆削溫度有較大的幫助，普通鋁片可降溫20 ℃ ～30 ℃，MVC-14100可降溫40 ℃ ～ 50 ℃。MVC蓋板屬于一種表層涂有潤滑、散熱功效的樹脂的覆膜型蓋板，故鉆孔加工具有減少磨損和散熱的功效。

表12 鉆削溫度對比圖

4.3.4 鉆孔精度

增加不同蓋板對提升鉆孔精度有較好的效果，覆膜型的MVC蓋板表層涂有一層較軟的樹脂層，利于鉆針入鉆的定位，消除了普通鋁片在入鉆的瞬時出現(xiàn)的打滑問題，從而大大提升了鉆孔加工的精度。

4.3.5 鉆孔殘屑

鉆孔加工后無灌膠切片SEM觀察孔內(nèi)殘屑情況，發(fā)現(xiàn)增加不同蓋板還對改善孔內(nèi)殘屑有一定的幫助。使用普通鋁片鉆孔加工后，孔內(nèi)壁殘留的大團聚體、黏附性的切屑極少；使用MVC-14100鉆孔加工的孔內(nèi)壁光滑、殘屑少。這些與蓋板的散熱功效有著密切的關(guān)系，蓋板散熱效果好，鉆削溫度下降，切屑黏附性減弱、黏附顆粒變小，排屑更順暢，使得孔內(nèi)壁殘屑減少。

4.3.6 鉆孔性能

采用不同蓋/墊板搭配進行兩款高頻高速印制電路板鉆孔加工性能對比測試，發(fā)現(xiàn)不同蓋板中，MVC-1400綜合鉆孔性能最佳，其次為MVC-1460，最后為普通鋁片；不同墊板中，TY-90-2綜合鉆孔性能最佳，其次RH-80，最后為密胺墊板。MVC蓋板對鉆孔加工的殘膠改善有一定的效果，TY-90-2和RH-80墊板對改善殘膠也有一定的效果，兩者搭配可以達(dá)到更佳的殘膠改善效果，甚至解決殘膠問題。

表13 Test1鉆孔性能對比圖

表14 Test2鉆孔性能對比圖

由以上實驗所得的結(jié)果可知：不同蓋/墊板搭配對高頻高速印制電路板鉆孔加工機理和性能有著較大的影響。蓋板的定位、散熱、延緩鉆削軸向力等功效，尤其是潤滑、散熱型蓋板，能有效的提升鉆孔精度、降低鉆削溫度、改善孔內(nèi)殘屑、提高綜合鉆孔性能。墊板中，TY-90-2墊板結(jié)構(gòu)致密且密度大，有著較好的定位功效，同時鉆孔切削時沿鉆針排屑槽形成錐螺旋帶狀切屑排出，有利于對印制電路板孔內(nèi)壁進行清掃，減少孔內(nèi)壁殘屑；RH-80墊板屬散熱、潤滑型墊板，具有降低鉆削溫度的功效，減弱切屑的黏附程度，有利于排屑。TY-90-2 和RH-80對高頻高速印制電路板鉆孔加工的鉆孔精度提升和殘膠改善等亦有較好的效果。

5 結(jié)語

本項目研究，在針對不同基材的高頻高速印制電路板的鉆孔特性的模索、認(rèn)識的基礎(chǔ)上，探索、改善對這類PCB基材的鉆孔加工的蓋墊板適應(yīng)性，以及得到了蓋墊板搭配使用對高頻高速印制電路板鉆孔加工技術(shù)和孔內(nèi)殘膠（即引起ICD現(xiàn)象）的優(yōu)化改善的研究新成果。

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張倫強，研發(fā)中心主任，多年從事覆銅板、絕緣材料、PCB用蓋墊板的技術(shù)研究工作。

The drilling technology improvement research for high-frequency and high-speed PCB

ZHANG Lun-qiang LIU Fei OU Ya-zhou WANG Cheng-yong LIAO Bing-miao LI Shan

This paper mainly discusses the differences of drilling performance of different high-frequency and high-speed laminates and PCB, and to explore the matching for the entry and backup boards and the drilling performance of high-frequency and high-speed PCB, and to study the improvement scheme for drilling technology and hole residue of high-frequency and high-speed PCB using different entry and backup boards.

Entry and Backup Boards; Drilling; High-Frequency and High-Speed PCB; Laminates; ICD(Internal Connection Defects)

TN41

A

1009-0096（2015）03-0098-08